Pembentukan Fasa Kristalin dalam Proses Pemanasan Tempurung Kelapa Muda Dalam Sawarna (Cocos Nucifera L.) dengan Atmosfer Udara

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Pembentukan Fasa Kristalin dalam Proses Pemanasan Tempurung Kelapa Muda Dalam Sawarna (Cocos Nucifera L.) dengan Atmosfer Udara Adhi Y. Perkasa, Darminto Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya darminto@physics.its.ac.id Abstrak Telah dilakukan penelitian tentang pembentukan fasa kristalin dalam proses pemanasan tempurung kelapa muda. Bahan dasar yang digunakan berupa limbah organik tempurung kelapa muda jenis dalam sawarna (Cocos Nucifera L.). Pemanasan dilakukan selama 5 jam menggunakan furnace pada variasi suhu 400 o C, 600 o C dan 750 o C dengan kondisi atmosfer udara sekitar. Setelah proses pemanasan, Sebagian sampel dicuci menggunakan 2 ml aquades. Karakterisasi menggunakan X-ray Diffractometer (XRD) dan SEM/EDX. Analisis secara kualitatif dan kuantitatif dilakukan terhadap hasil XRD dengan menggunakan perangkat lunak X Pert High Score Plus (HSP) dan metode Scherrer. Hasil analisis kualitatif menunjukkan bahwa terdapat fasa amorf carbon dengan kondisi kristal graphite yang kecil ketika proses pemanasan dilakukan pada suhu 750 o C. Selain fasa amorf carbon, muncul impuritas berupa fasa sylvite (KCl) dengan ukuran kristal terbesar yaitu 769 nm. Impuritas yang mudah larut dalam air tersebut, tersebar tidak merata di atas permukaan arang.. Kata Kunci Arang, Metode Scherrer, Proses pemanasan, SEM/EDX, Tempurung kelapa, XRD. L I. PENDAHULUAN imbah tempurung kelapa muda menjadi suatu permasalahan tersendiri bagi masyarakat Indonesia karena limbah ini selain banyak jumlahnya, juga belum termanfaatkan secara maksimal. Oleh karena itu dibutuhkan penelitian lebih lanjut untuk memaksimalkan fungsi limbah organik tersebut. Dari hasil penelitian diketahui bahwa tempurung kelapa memiliki kandungan molekul organik berupa material cellulose dan lignin[12] yang dapat menghasilkan carbon (C) berupa arang (char) ketika mengalami perlakuan panas[8]. Adanya carbon pada arang tempurung kelapa, merupakan akibat terjadinya proses dekomposisi material organik yang menyisakan ikatan aromatic carbon[10]. Jika dilihat dari ikatan carbon yang ada, hasil dekomposisi tersebut sangat menarik untuk dikaji pembentukan fasanya karena memiliki ikatan aromatic carbon yang merupakan ikatan berbentuk cincin datar dasar pembentuk graphite[5]. Hasil analisis fasa akan membuka wawasan tentang struktur arang tempurung kelapa yang kaya akan ikatan carbon, karena ikatan carbon memiliki berbagai jenis alotrop carbon antara lain graphite, black carbon, fullerene dan carbon nano tube (CNT). Carbon dari arang tempurung kelapa memiliki alotrop carbon yang cenderung mengarah pada graphite, meskipun kondisi kristalnya masih kurang sempurna. Telah banyak hasil penelitian yang menyimpulkan kondisi tersebut, misalnya penelitian terhadap kalsinasi dengan variasi gas inert nitrogen (N 2 ) dan argon (Ar) terhadap carbon arang tempurung kelapa[9], penelitian tentang pemanasan tempurung kelapa menggunakan gas inert N 2 dengan variasi larutan KOH dan ZnCl 2 [5] dan penelitian yang dilakukan oleh Destyorini dkk[4] tentang variasi suhu pemanasan menggunakan gas inert N 2 serta splash sintering ketika menggunakan suhu 1200 o C. Penggunaan gas inert memiliki fungsi untuk menaikan kadar carbon, meminimalisir impuritas dan menghindari asupan oksigen (O 2 ). Adanya oksigen saat proses pemanasan berlangsung sangat dihindari, karena akan menimbulkan degradasi pada material yang dipanasaka[11]. Kondisi tersebut akan mempengaruhi kadar carbon yang tekandung. Pemanasan dengan kondisi oksigen berlebih tidak harus ditinggalkan, karena dapat membantu proses dekomposisi molekul organik dan tidak mengakibatkan rusaknya ikatan aromatic carbon yang merupakan salah satu ikatan kimia kuat[3]. Berdasarkan teori tersebut maka penelitian terhadap fasa arang tempurung kelapa yang dibuat dengan menggunkan pemanasan sederhana dapat dilakukan. Selain itu metode ini merupakan suatu cara untuk menurunkan nilai ekonomi nya. Penelitian ini merupakan tahap awal dan belum pernah dilakukan sebelumnya, dikarenakan menggunakan metode sederhana dalam memperoleh carbon arang tempurung kelapa yang diharapkan memperoleh struktur kristal yang mengarah pada graphite. Suhu pemanasan menggunkan rentang suhu rendah (450 o C-700 o C) dan juga berdasarkan dengan uji termal bahan dasar. Permasalahan pada penelitian ini adalah bagaimana mengetahui pengaruh perubahan suhu terhadap terbentuknya fasa dalam pemanasan kelapa dalam muda sawarna (Cocos Nucifera L). II. METODE Penelitian ini menggunakan limbah tempurung kelapa dari buah kelapa muda jenis dalam sawarna yang berasal dari kota Jember, Jawa Timur, Indonesia. Agar hasil yang didapatkan maksimal maka tempurung kelapa yang diperoleh harus dibersihkan terlebih dahulu dari serabut dan daging buah yang tersisa, hingga hanya tersisa tempurung nya saja. Setelah itu direduksi ukurannya menjadi 1-2 cm 2, kemudian dikeringkan

2 JURNAL TEKNIK POMITS menggunakan oven dengan suhu 120 o C dengan kenaikan 10 o C/menit serta waktu penahanan 1 jam. Sebelum dikeringkan ada sebagian kecil tempurung kelapa yang diserbukkan untuk dilakukan karakterisasi berupa uji DSC/DTA dan EDX. Pemanasan tempurung kelapa dilakukan dengna dua cara yaitu, pemanasan tanpa pencucian dan pemanasan dengan pencucian. Pemanasan ini dilakukan pada variasi suhu rendah yaitu, 400 o C, 600 o C dan 750 o C yang dipanaskan menngunakan tube furnace dengan atmosfer udara. Tahap pertama yang dilakukan sebelum melakukan pemanasan adalah siapkan serbuk sebanyak 10 gram yang ditimbang menggunakan timbangan digital, setelah itu tempatkan serbuk tersebut kedalam boat crusible, kemudian masukkan kedalam tube furnace. Setelah itu setting dengan suhu dan waktu penahanan yang sesuai (400 o C/5 jam, 600 o C/5 jam dan 750 o C/5 jam). Setelah proses pemanasan selesai, ambil crusible boat yang didalamnya terdapat tempurung kelapa muda yang telah mengalami proses pemanasan. Kemudian reduksi sample tersebut menjdi serbuk dengan menggunakan mortar. Untuk mendapatkan fixed carbon tanpa impuritas maka sebagian serbuk arang tersebut akan dicuci menggunakan aquades. Serbuk yang dibutuhkan pada proses pencucian ini sebanyak 1 gram, kemudian serbuk tersebut ditempatkan pada kertas saring tipis berlapis dua lembar, selanjutnya disiram menggunakan aquades sebanyak 20 ml. Hasil pemanasan yang diperoleh, selanjutnya dilakukan karakterisasi dengan uji XRD. Uji XRD dalam penelitian ini menggunakan radiasi Cu-Kα dengan panjang sinar-x 1,54051 Å dan analisis sudut 5 o - 90 o dengan step size 0,02 o. Analisis data XRD menggunakan perangkat lunak X pert High Score Plus untuk mengidentifikasi fasa dan Fityk untuk memodelkan data.untuk mengidentifikasi fasa. Sedangkan analisis kuantitatif diperoleh menggunakan metode Scherrer[6] dengan persamaan sebagai berikut: ( ) dengan: D = ukuran kristal (nm), λ = nm (panjang gelombang sinar-x yang digunakan dalam uji XRD), k = konstanta Scherrer FWHM = lebar puncak pada setengah tinggi puncak maksimum, FWHM sd = FWHM standar ITS (sample Y 2 O 3 ) Dan juga dilakukan perhitungan fraksi volume menggunakan persamaan sebagai berikut: A. Analisis Bahan Dasar III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil karakterisasi EDX yang disajikan dalam Tabel 1, diketahui bahwa unsur paling dominan berupa carbon (C) (1) (2) Tabel 1. Hasil Karakterisasi EDX Persentase Atom Unsur Tempurung Kelapa Muda Dalam Sawarna (Cocos Nucifera L.) Unsur C (%) O (%) Si (%) S (%) Cl (%) K (%) Nilai 58,03 41,37 0,34 0,08 0,05 0,13 σ 0,66 0,64 0,01 0,01 0,00 0,01 σ adalah rentang yang diperoleh dari tiga kali akuisisi data Gambar. 1. Hasil uji DSC/TGA, kurva merah merupakan DSC dan kurva hitam merupakan TGA. dengan atomic percent sebesar 58,03% dan oksigen (O 2 ) 41,37%. Selain itu juga terdapat kandungan silica (Si) 0,34%, sulfur (S) 0,08%, chloride (Cl) 0,05% dan potassium (K) 0,13%. Adanya oksigen dan carbon dengan persentase yang cukup tinggi, merupakan ciri khas dari bahan organik. Setelah data DSC diproses secara kuantitatif, didapatkan bahwa reaksi eksoterm terjadi pada suhu 328,77 o C dan menghasilkan nilai heatflow 4,81 mw. Sedangkan reaksi endoterm terjadi pada suhu 62,59 o C dan 974,07 o C dengan menghasilkan nilai heatflow -8,50 mw dan -52,95. Jika dihubungkan dengan data kuantitatif yang dimiliki oleh hasil uji TGA (Gambar 2), maka dapat disimpulkan bahwa akan terjadi dekomposisi bahan dasar pada rentang suhu 268,35 o C- 353,09 o C, dikarenakan pada rentang suhu tersebut terjadi reaksi eksoterm yang diikuti dengan berkurangnya massa secara signifikan yaitu sebesar 45,2546% dari massa total sebesar 12,5 mg. Rentang suhu 268,35 o C-302,26 dan terjadi pengurangan massa sebesar 22,8683% dari massa total, merupakan area terjadinya proses dekomposisi senyawa cellulose. Sedangkan dekomposisi pada lignin, terjadi pada rentang suhu 314,60 o C-353,09 o C dan mengakibatkan pengurangan massa sebesar 22,3863% dari massa total. Hasil dekomposisi senyawa organik inilah yang mengakibatkan perubahan fasa tempurung kelapa muda menjadi arang. Selain itu juga akan terjadi proses menguapnya kandungan air pada rentang suhu mula-mula hingga 120 o C yang mengakibatkan pengurangan massa sebesar 2,7092% dari massa total. Pernyataan tersebut juga berdasarkan penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Li dkk[7]. B. Analisis XRD Setelah pengujian XRD dilakukan maka diperoleh data berupa pola difraksi yang ditampilkan pada Gambar 2. Dari gambar tersebut terdapat puncak lebar yang berada di sekitar sudut 2θ 24 o dan 44 o serta beberapa puncak yang berada di sekitar sudut 2θ 28 o, 40 o, 50 o, 58 o, 66 o dan 73 o.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Gambar. 2. Pola difraksi arang tanpa pencucian dengan berbagai variasi suhu beserta bidang hkl dan pola difraksi tempurung kelapa muda murni (pure). ( ) puncak sylvite dengan komposisi KCl, ( ) indikasi kristal graphite dan ( ) cellulose. Berdasarkan pola difraksi penelitian sebelumnya, puncak yang melebar tersebut merupakan amorf carbon dengan kecenderungan struktur kristalnya mengarah pada graphite. Muncul nya puncak lebar di sekitar sudut 2θ 24 o, merupakan refleksi dari bidang 002. Refleksi tersebut mengindikasikan adanya lembaran graphene yang merupakan penyusun graphite[5]. Sedangkan puncak lebar yang muncul di sekitar sudut 2θ 42 o, merupakan refleksi bidang 100, yang mengindikasikan adanya honeycomb bentukan dari hibridasi sp 2 [5]. Lembaran graphen yang tersusun dari struktur honeycomb, terbentuk dari proses dekomposisi molekul organik yang menyisakan ikatan aromatic ketika tempurung kelapa mengalami proses pemanasan. Puncak-puncak yang muncul mengindikasikan bahwa arang tempurung kelapa yang telah dibuat tidaklah murni akan tetapi terdapat impuritas. Hasil analisis secara kualitatif menggunakan software X Pert High Score Plus, diperoleh bahwa puncak tersebut sesuai dengan data sekunder PDF yaitu sylvite dengan komposisi KCl. Sylvite merupakan garam yang tersusun dari unsur potassium (K) dan chloride (Cl). Senyawa ini sangat mudah larut dengan air. Oleh karena itu dilakukan proses pencucian menggunakan aquades pada setiap arang tempurung kelapa yang diperoleh. Dari proses pencuciann itu dilakukan uji XRD untuk mengetahui secara jelas pola difraksi dari arang tempurung kelapa. Pola difraksi arang tempurung kelapa yang telah dicuci dengan aquades dapat dilihat pada Gambar 4.9. Setelah proses pencucian, pola difraksi amorf carbon semakin terlihat jelas bahwa puncak lebar tersebut indikasi dari kristal graphite yang mulai tumbuh sebanding dengan berubahnya suhu pemanasan. Pada suhu awal yaitu 400 o C dan 600 o C, pola difraksi belum mengalami perubahan yang signifikan, terutama belum adanya refleksi dari bidang 100 yang muncul di rentang sudut 2θ 42 o, akan tetapi terjadi sedikit pergeseran pada rentang sudut 2θ 24 o. Perubahan pola difraksi yang signifikan terjadi pada suhu 750 o C, dalam pola tersebut tergambarkan munculnya puncak lebar pada rentang sudut 2θ 24 o dan pergeseran puncak lebar di rentang sudut 2θ 42 o telah Gambar 3. Pola difraksi arang yang telah dicuci dengan aquades. ( ) puncak yang identik dengan graphite. Tabel 2. Hasil Ukuran Kristal Sylvite Berdasarkan Bidang Suhu pemanasan ( o C) FWHM (2θ O ) Ukuran Kristal (nm) 400 0, , , bergeser jauh mendekati puncak kristal puncak graphite dengan data sekunder PDF Perubahan ini menunjukan bahwa amorf carbon yang ada dalam arang tempurung kelapa, struktur kristalnya mulai tersusun dan mengarah pada struktur kristal graphite. Lebarnya puncak mengindikasikan kekristalanya masih belum sempurna, seperti kesimpulan penelitian yang dilakukan oleh Rampe dkk[9], bahwa struktur posisi atom C merupakan amorf menuju semi kristalin yang tumbuh mengarah pada kristal graphite. Hasil kuantitatif yang diperoleh adalah ukuran kristal dari sylvite dan persentase fraksi volume pada pola amorf carbon dan kristal sylvite. Tabel 2 merupakan data ukuran kristal sylvite yang diperoleh dengan menggunakan metode Scherrer. Ukuran kristal yang terhitung pada tabel berdasarkan bidang pantul hkl Berdasarkan Tabel 2, proses pemanasan dengan menggunakan variasi suhu menyebabkan perubahan pada ukuran kristal sylvite. Semakin tinggi suhu pemanasan yang digunakan, menyebabkan ukuran kristal pada sylvite bertambah. Permodelan dibuat dengan menggunakan software Fityk Hasil dari permodelan tersebut berupa fraksi volume carbon dan fraksi volume sylvite yang telah tercantum pada Tabel 3. Fraksi volume setiap pola tidak mengalami perubahan secara signifikan ketika suhu pemanasan berubah. C. Analisis SEM/EDX Untuk mengetahui kondisi morfologi arang tempurung kelapa dan kandungan unsurnya, maka dilakukan uji SEM yang digubungkan dengan EDX. Hasil EDX merupakan data unsur secara mikro yang mewakili sebgian kecil sampel penelitian. Pengambilan sampel difokuskan pada kepingan

4 JURNAL TEKNIK POMITS Suhu peman asan ( o C) Luas area carbon Tabel 3 Hasil Fraksi Volume Carbon dan Sylvite Luas area sylvite Total area Fraksi Volume amorf (%) Fraksi Volume Sylvite (%) 2354,64 491, ,11 82,7 17,3 2031,33 838, ,03 68,2 28,1 2733,48 547, ,97 83,3 16,7 pada suhu 600 pemanasan total tidak 100% karena sisanya merupakan puncak impuritas unknown Tabel 4 Hasil Karakterisasi EDX Tempurung Kelapa Muda Pemanasan 750 o C Unsur Nilai (%) σ O 46,87 5,7 C 32,46 3,6 K 7,38 0,5 Cl 3,72 0,5 Mg 5,37 0,5 P 1,05 0,2 Si 2,49 0,1 Na 0,66 0,1 arang yang banyak impuritas (bintik-bintik putih) agar dapat diketahui unsur yang terkandung di dalam impuritas tersebut. Tabel 4 merupakan hasil uji EDX, dari hasil uji tersebut diketahui bahwa unsur carbon dan oksigen memiliki persentase unsur yang tinggi yaitu 32,46% dan 46,87% meskipun sampel yang diambil merupakan kepingan arang yang memiliki impuritas. Tinggi nya persentase atom carbon mendukung hasil analisis data XRD yang menyatakan puncak lebar intu merupakan amorf carbon dengan pertumbuhan kristal mengarah pada graphite. Selain unsur carbon dan oksigen, muncul unsur potasium dan magnesium yang persentasenya diatas 5%. Dan ada juga unsur chloride dengan persentase atom sebesar 3,72. Unsur-unsur tersebut mendukung kesimpulan dari hasil analisis XRD yang menyatakan bahwa ada senyawa KCl di dalam arang tempurung kelapa. Secara teori unsur potassium merupakan golongan 1 dalam tabel periodik dan chloride merupakan golongan 7. Jika dilihat dari elektron valensinya, maka akan terjadi ikatan ion[3]. Sedangkan unsur magnesium yang memiliki sifat yang identik dengan unsur potassium karena berapa pada satu periode dan golongan 2, maka mampu masuk dan menggantika beberapa unsur potassium yang ada di dalam senyawa KCl. Sebaran senyawa KCl yang muncul didalam arang tempururng kelapa dapat dilihat pada Gambar 4. Pada gambar tersebut diketahui bahwa bintik-bintik putih yang merupakan impuritas yang muncul pada sampel penelitian, merupakan senyawa KCl yang di dalam setruktur tersebut terdapat unsur lain yang identik seperti magnesium dan natrium. IV. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan: 1. Perubahan fisis tempurung kelapa muda terjadi pada suhu 400 o C. Gambar 4. Distribusi penyebaran unsur K (hijau) dan Cl (merah) 2. Analisis kualitatif pola difraksi menunjukkan bahwa terdapat fasa amorf carbon yang terindikasi kristal graphite. 3. Pertumbuhan kristal graphite sangat jelas terlihat pada suhu 750 o C. 4. Terdapat impuritas fasa sylvite berupa KCl dengan ukuran kristal terbesar yaitu 769 nm. 5. Fasa kristal sylvite muncul pada permukaan arang dengan bentuk menyerupai kubus. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Angkasa Pura II yang telah memberikan dana pada penelitian ini melalui beasiswa BUMN peduli tugas akhir DAFTAR PUSTAKA [1] Abbdullah, M Pengantar Nanosains. Bandung: Penerbit ITB. [2] Arsa, M Kandungan Natrium dan Kalium Larutan Isotonik Alami Air Kelapa (Cocos Nucifera) Varietas Eburnia, Viridis dan Hibrida. Denpasar: Tesis Program PascasarjanaUniversitas Udayana. [3] Chang, R Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti Jilid 1. Diterjemahkan oleh Departemen kimia ITB. Jakarta: Erlangga. [4] Destyorini, F. dkk. Des Pengaruh Suhu Karbonisasi Terhadap Struktur dan Konduktivitas Listrik Arang Serabut Kelapa. Jurnal Fisika HFI 10: 2. [5] Hwang, Y.J. Nov High capacity disordered carbons obtained from coconut shells as anode materials for lithium batteries. Journal of Alloy and Compounds 448: [6] Langford, J.I. Wilson, A.J.C. Okt Seherrer after Sixty Years: A Survey and Some New Results in the Determination of Crystallite Size. J. Appl. Cryst 11: [7] Li, W. dkk. Feb Effects of Carbonization Temperatures on Characteristics of Porosity in Coconut Shell Chars and Activated Carbons Derived From Carbonized Coconut Shell Chars. Industrial Crops and Product 28: [8] Menendez, J.A. dkk. Agus Microwave Heating Processes Involving Carbon Materials. Full Processing Technology 91: 1-8.

5 JURNAL TEKNIK POMITS [9] Rampe, M.J. dkk. The Effect of Temperature on The Crystal Growth of Coconut Shell Carbon. Proceedings of the Third International Conference on Mathematics and Natural Sciences. [10] Shiengchum, T. dkk. Okt Fast Pyrolysis of Coconut Biomass An FTIR study. Fuel 105: [11] Van Vlack, L.H Ilmu dan Teknologi Bahan edisi kelima. diartikan oleh Djaprie, S. Jakarta: Erlangga. [12] Warnijati, S. dkk. Dec Pyrolysis of Coconut Shells in a Concentric Three Tubes Reactor. Renewable Energy vol. 9: